Расчет и выбор центрифуг

Процесс центрифугирования применяется в промышленности органи­ческого синтеза для получения осадков с влажностью менее 20—25 % (от 6—10 % до 15—20 % на пастах).

При центрифугировании неоднородные дисперсные системы разделя­ются под действием центробежных сил. Параметром центрифуг, характе­ризующим напряженность силового центробежного поля, является безраз­мерная величина — фактор разделения F, который показывает, во сколько раз центростремительное ускорение больше ускорения силы тяжести:

F = ,

где: w = - угловая скорость ротора, рад/сек;

R — внутренний радиус ротора, м.

По величине фактора разделения центрифуги делятся на 3 класса: тихоход­ные (F< 1000); скоростные (1000 < F< 5000); сверхцентрифуги (F> 5000).

Центрифуга представляет собой в простейшем ввде вертикальный цилиндри­ческий ротор со сплошными или перфорированными боковыми стенками. Ротор ук­репляется на валу, который приводится во вращение электродвигателем, и помещает­ся в соосный цилиндрический неподвижный кожух, закрьгоаемый съемной крышкой. Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу, называемую фугатом. Осадок остается в роторе, а жидкая фаза удаляется из него.

Классификация центрифуг. По принципу действия центрифуги подразде­ляются на осадительные (отстойные) и фильтрующие. Ротор осадительных цен­трифуг выполняется со сплошной обечайкой. При разделении в них суспензий твердые частицы, имеющие, как правило, большую плотность, чем жидкая фаза, под действием центробежной силы осаждаются на обечайке ротора в виде коль­цевого слоя; жидкая фаза, также в виде кольцевого слоя, располагается ближе к оси вращения.

Разновидность осадительных центрифуг—сепарирующие, предназначе­ны для разделения эмульсий. При их разделении на обечайке ротора располага­ется слой жидкости с большей плотностью, ближе к оси вращения.--жидкий слой меньшей плотности.

В фильтрующих центрифугах ротор выполняется в виде перфорированной обечайки, на внутренней поверхности которой закреплена фильтрующая перего­родка (сито или ткань). При разделении суспензий жидкая фаза проходит через фияь-1рующую перегородку, твердая фаза осаждается на ней в виде кольцевого слоя.

По характеру процесса центрифуги относят к машинам периодического и непрерывного действия. В центрифугах периодического действия различные опе­рации (загрузка, разделение, выгрузка) происходят последовательно и периоди­чески, в центрифугах непрерывного действия — одновременно и непрерывно.

По способу выгрузки осадка из ротора различают центрифуги с руч­ной выгрузкой, с гравитационной (саморазгружающиеся), инерционной, с выгрузкой ножом, пульсирующим поршнем, шнеком, вибрацией.

В центрифугах периодического действия осадок выгружают вручную после остановки ротора через его верхний борт или под действием собственной массы после остановки ротора (такой способ выгрузки пригоден лишь для сыпучих осадков), или срезают ножом, при рабочем или пониженном числе оборотов ротора. Такой способ выгрузки обычно применяют для малоабразивных осад­ков и в тех случаях, когда допустимо измельчение частиц твердой фазы.

Из шнековых центрифуг непрерывного действия осадок выгружается при вращении шнека относительно ротора и удаляется непрерывно без ос­тановки ротора. Центрифуги непрерывного действия с вибрационной выг­рузкой осадка разгружаются посредством колебаний конусного ротора в осевом направлении; осадок выводится из ротора непрерывно, при рабо­чей скорости вращения. В центрифугах непрерывного действия с инерци­онной выгрузкой осадок выходит из ротора под действием тангенциаль­ных составляющих центробежных сил инерции, превосходящих по величине силы трения осадка о стенки ротора.

В зависимости от расположения оси вращения центрифуги подразде­ляют на вертикальные и горизонтальные.

Обозначение типа центрифуги состоит из буквенной индексации, отра­жающей используемый принцип разделения, основные конструктивные осо­бенности и способ выгрузки осадка:

О — осадительные, Ф -—- фильтрующие, К — комбинированные центрифу­ги, Р—разделяющие сепараторы;

Г — горизонтальные, В — вертикальные, П—подвесные с верхним приво­дом, М — маятниковые;

Б — ручной выгрузкой осадка через борт, Д — с ручной выгрузкой через днище, С — саморазгружающиеся, Н — с ножевым съемом осадка, Ш—с шнековой выгрузкой осадка, В — с вибрационной выгрузкой осадка.

Цифры, следующие за буквенным обозначением, характеризуют диаметр барабана и конструктивную модификацию данного типа центрифуги.

Определяющим размером, при выборе центрифуги, является норма допус­тимой нагрузки Р_а (кг), которую рассчитывают по формуле:

где: G и G — суточная масса влажного и сухого осадка, кг;

— влажность осадка;

—резерв мощности.

После выбора центрифуги следует также проверить толщину слоя осадка:

Где: V — суточный объем влажного осадка, м³;

F_ном — номинальная поверхность фильтрации, м².

Для центрифуги поверхность фильтрации определяется по формуле:

F_ном= H

где: D — диаметр корзины, м;

H—высота корзины, м.

Выбор типа промышленной центрифугипроизводится на основе анали­за технологических требований, предъявляемых к процессу разделения, свойств суспензии и осадка и мощности производства. В основу такого ана­лиза положен опыт промышленной эксплуатации центрифуг.

Маятниковые (трехколонные) центрифуги(рис. 6) относятся к нормаль­ным отстойным или фильтрующим центрифугам периодического действия с ручной выгрузкой осадка.

Рис. 6. Конструктивная схема центрифуг типа ФМБ и 0МБ:

1 — колонна; 2 — привод; 3 —-ротор; 4 — вал; 5 электродвигатель;

6 -— фундаментная плита; 7 —- ленточный пружинный тормоз

Центрифуги типа ФМБ и ФМД (с фильтрующим ротором) предназна­чены для разделения суспензий со средне— и мелкоизмельченной твердой фазой (выше 10 мкм) и широким диапазоном концентраций. Наиболее эф­фективно применение этих машин на специализированных малотоннажных производствах, когда требуется получение осадка с наименьшей влажностью и высокая эффективность его промывки. Центрифуги применяют для разде­ления суспензий как с растворимой, так и с нерастворимой твердой фазой (в том числе с твердой фазой, имеющей повышенную абразивность), особенно когда недопустимо ее измельчение.

К достоинствам маятниковых центрифуг следует отнести простоту конструк­ции, малую массу и низкую стоимость машины. Существенным недостатком цент­рифуг этого типа является необходимость их периодической остановки для выгруз­ки осадка ручным способом. Поэтому удельный вес этих центрифуг в общем количестве выпускаемого фильтровального оборудования постепенно снижается. На смену им приходят центрифуги с механизированной нижней выгрузкой осадка.

Общим конструктивным признаком маятниковых центрифуг с ручной выг­рузкой осадка является вертикальное расположение оси ротора (фильтрующе­го — в центрифугах ФМБ и осадительного — в центрифугах ОМБ), вал кото­рого вращается в подшипниках качения, расположенных в корпусе привода. Станина подвешена на трех тягах с шаровыми шарнирами и пружинами в ко­лоннах, установленных на фундаментной плите, что позволяет валу ротора самоустанавливаться, а также уменьшает динамическую нагрузку на подшип­ники при возникновении дисбаланса.

Роторы фильтрующих центрифуг оснащены подкладными (дренажны­ми) ситами.

Привод центрифуги осуществляется от электродвигателя через клиноременную передачу.

Ленточный пружинный тормоз центрифуг сблокирован с электродвига­телем. При выключении электродвигателя блокирующее устройство автома­тически включает тормоз и останавливает ротор, а при включении — автома­тически его растормаживает. Оно предотвращает открывание крышки при включенном электродвигателе, а также включение электродвигателя при от­крытой крышке кожуха центрифуги.

В центрифугах фильтрующего типа суспензия подается в ротор на ходу в питатель или отверстие в крышке кожуха. Суспензии с нерастворимой и абразивной твердой фазой загружают в ротор при остановленной центрифу­ге. Скорость загрузки суспензии определяется скоростью отвода фильтрата через увеличивающийся слой осадка, который откладывается на внутренней стенке фильтрующего барабана, обтянутого сеткой или фильтровальной тка­нью. Загрузка заканчивается при заполнении ротора осадком.

Фильтрах (фугат) и промывная жидкость выводятся из кожуха через сливной штуцер, расположенный в станине. Осадок при фуговании не из­мельчается. Его выгружают вручную через верхний борт ротора (ФМБ и О МБ) или днище ротора (ФМД и ОМД).

Выгрузка осадка в центрифугах типа ФМБ производится следующими спо­собами:

1. При остановке центрифуги из барабана вынимается фильтрующий ме­шок, сшитый по форме барабана, с осадком. Но этот метод не может применять­ся для центрифуг с большим диаметром барабана, поскольку прочность мешка недостаточна, чтобы выдержать вес большого количества осадка.

2. Барабан разгружается вручную лопатами.

Центрифуги ФМБ изготовляются как в открытом, так и в герметизирован­ном взрывозащищенном исполнении. Центрифуги ФМД изготовляются только со взрывозащищенным электрооборудованием и неискрящим тормозом, герметизированные конструкции не выпускаются.

Основные параметры центрифуг типа ФМБ и ФМД приведены в табл. VI.

Подвесные центрифугис верхним приводом (рис. 7) применяются преиму­щественно в сахарной промышленности, где уровень их технического совершен­ства очень высок. В химической промышленности в последнее время их вытес­няют маятниковые механизированные центрифуги. За редким исключением подвесные центрифуги для химической промышленности изготовляются с филь­трующими роторами. Область применения этих машин практически та же, что и маятниковых центрифуг.

Рис. 7. Конструктивная схема центрифуг типа ФПН, ОПН и ФПД:

1 -— ротор;

2 — стойка;

3 - вал-веретено;

4 — электродвигатель;

5 — продольные швеллеры;

6 — кожух

Общий конструктивный признак подвесных центрифуг — вертикальное расположение осей ротора и вала-веретена. Вал верхним концом подвешен в шаровой опоре, расположенной значительно выше центра тяжести вращаю­щейся системы. Шаровая опора — головка привода центрифуги ™ представ­ляет собой систему подшипников качения, размещенных в стакане, свободно опирающемся на сферическую поверхность корпуса привода. Пределы от­клонения вала ограничиваются резиновым амортизатором, что уменьшает динамическую нагрузку на подшипники при возникновении дисбаланса. Корпус головки привода закреплен болтами на продольных швеллерах, опи­рающихся на две стойки. Система смазки подшипников — циркуляционная.

Привод центрифуг осуществляется от фланцевого электродвигателя, со­единенного с валом: центрифуги специальной упругой муфтой. Конструк­ция электродвигателя позволяет производить торможение противотоком. Подвесные центрифуги также укомплектованы механическим ленточным тормозом, расположенным в корпусе головки привода.

Ротор центрифуги закрыт кожухом, состоящим из верхней и нижней ча­стей. Кожух является сборником фильтрата, который отводится через шту­цер, расположенный в днище его нижней части. Для раздельного отвода из кожуха фугата и промывной жидкости к штуцеру присоединен сегрегатор.

Все центрифуги (кроме центрифуг с гуммированными основными дета­лями) оснащены устройством для пропарки внутренней полости кожуха и наружной поверхности ротора.

При работе фильтрующих центрифуг суспензия подается при понижен­ном числе оборотов ротора. Затем число оборотов доводят до максималь­ного, при котором осадок отжимают, промывают и повторно отжимают.

Подвесные центрифуги изготовляют с ручной и механизированной выгруз­кой осадка. У механизированных центрифуг осадок срезается при пониженном числе оборотов ротора, вследствие чего практически исключается измельчение кристаллов осадка. В центрифугах ФПД осадок выгружается при остановлен­ном роторе вручную. Разгрузка происходит через отверстия внизу барабана. Во время загрузки и работы центрифуги отверстия прикрыты клапаном, который свободно скользит по валу и перед выгрузкой приподнимается.

Подвесные центрифуги изготавливаются негерметизированными.

Встречаются конструкции подвесных центрифуг с саморазгружающимся осадком, который выгружается под действием сил тяжести. Нижняя часть бара­бана в этих случаях выполняется в виде конуса с углом наклона большим, чем угол естественного откоса влажного осадка, вследствие чего при остановке осадок сползает вниз. Гравитационная выгрузка может применяться толь­ко для сыпучих осадков. Поэтому центрифуги подобного типа получили незначительное распространение в химических производствах.

Основные параметры подвесных центрифуг приведены в приложении (табл. VII).

Горизонтальные центрифуги с ножевым устройством для удаления осад­ка (ФГН и ОГН) (рис. 8) являются нормальными отстойными или фильтру­ющими центрифугами периодического действия с автоматизированным уп­равлением.

В горизонтальной фильтрующей центрифуге с ножевым устройством опе­рации загрузки суспензии, центрифугирования, промывки, механической суш­ки осадка и его разгрузки выполняются, автоматически. Центрифуга управляет­ся электрогидравлическим автоматом, позволяющим по толщине осадка контролировать степень заполнения ротора.

Фильтрующие центрифуги предназначены для разделения мелко— и средне-дисперсных суспензий (размер частиц более 30 мкм), с преимущественно раство­римой твердой фазой, объемной концентрацией более 10 %, так как при обработ­ке суспензий с меньшей концентрацией твердой фазы значительно удлиняется цикл их разделения, а машины этого типа предназначены для работы с более коротки­ми циклами, чем другие фильтрующие центрифуги периодического действия.

На центрифугах типа ФГН не рекомендуется обрабатывать нерастворимые продукты или продукты с нерастворимыми примесями, так как в этих случаях весь­ма затрудняется регенерация остающегося подслоя и фильтрующего основания.

Основное преимущество центрифуг типа ФГН состоит в возможности проведения всех стадий процесса в автоматическом режиме и при постоян­ной частоте вращения ротора. К недостаткам следует отнести: измельчение кристаллов при срезе осадка, большие трудности регенерации фильтрующей

перегородки при обработке суспензии с нерастворимой твердой фазой. Их также не рекомендуется применять для липких и мажущихся осадков. Одна­ко, преимуществ центрифуг типа ФГН значительно больше, поэтому спрос промышленности на них во всем мире по-прежнему высок.

Общим конструктивным признаком центрифуг является горизонталь­ное расположение оси ротора, вал которого вращается в подшипниках ка­чения, установленных в станине.

На передней крышке центрифуги смонтированы: механизм среза осадка, раз­грузочный бункер, питающая труба, труба для промывки и регенерации (для филь­трующих центрифуг), регулятор уровня слоя загрузки и переключатели хода ножа.

В кожухе центрифуги предусмотрен шок для доступа к ротору, при замене или ремонте сит, для фильтрующих центрифуг и люк-воздушник для отвода па­ров и газов из внутренней полости кожуха.

Ротор фильтрующих центрифуг¹ типа ФГН—сварной, с перфорированной обечайкой. Внутри ротора с помощью планок и колец закреплены дренажное и фильтрующее сита. В зависимости от обрабатываемой суспензии фильтрующие сита могут быть заменены фильтровальными тканями, которые подбира­ют и устанавливают потребители.

Рис. 8. Горизонтальная центрифуга с ножевым устройством для удаления осадка:

1 —разгрузочный бункер; 2 — питающая труба; 3 — механизм среза осадка;

4 — кожух; 5 — ротор; 6—подшипники качения; 7—вал; 8 — станина

При работе центрифуги суспензия поступает через регулируемый загрузочный клапан и питающую трубу. Подача суспензии автоматически прекращается при достижении заданного уровня слоя осадка, после чего осуществляется отжим и, если требуется, промывка осадка.

Отжатый осадок срезается поступательно движущимся или поворот­ным ножом и через бункер выгружается из центрифуги.

Основные параметры центрифуг типа ФГН приведены в приложении (табл. VIII).

Пример 2. Подобрать центрифугу для операции центрифугирования и промывки осадка изоксазолкарбоновой кислоты (ИКК).

Описание технологического процесса: Суспензию ИКК в количестве 4843,11 кг, содержащую 164,92 кг ИКК, 10,2 кг примесей и 4667,99 кг воды, са­мотеком сливают на центрифугу. Маточный раствор собирают в сборник, откуда передают на сжигание. Осадок на центрифуге промывают водой из водовода. Про­мывные воды сливают в канализацию промышленных стоков. Отбирают пробу пасты изоксазолкарбоновой кислоты для определения массовой доли основного вещества, которая должна, быть не менее 98 % в пересчете на сухое вещество. Массовая доля воды в ИКК 15—20 %. Количество операций в сутки 1,43.

Решение:

1. Определяем состав и массу влажного осадка.

Принимаем выход на операции центрифугирования и промывки 99 %. Тогда масса 100 % ИКК в осадке составит: 164,92 • 0,99 = 163,27 кг.

Масса технического ИКК с учетом содержания основного вещества 98 %:

163,27/0,98 = 166₃6 кг. В ней примесей:

166,6 - 163,27 = 3,3 кг.

Принимаем влажность ИКК 20 %. Тогда масса влажного осадка:

166,6/0,8 = 208,25 кг. В нем воды: 208,25-166,6 = 41,65 кг.

2. Определяем норму допустимой нагрузки по формуле:

Принимаем

Выбираем маятниковую центрифугу с ручной выгрузкой осадка ФМД-802-4 с предельной загрузкой 180 кг. Рабочая емкость барабана 0,08 м³, внутренний ди­аметр 800 мм. Площадь поверхности фильтрации 1 м².

3. Проверяем высоту слоя осадка по формуле:

Плотность органических соединений лежит в пределах 700—1300 кг/м³. Принимаем плотность влажного осадка ИКК 1000 кг/м³,

, что допустимо.

Газоочистка

Газовой неоднородной системой называется газ, содержащий во взвешенном состоянии мелкие твердые частицы или капельки жидкости. В зависимости от происхождения газовые взвеси можно разделить на две группы: механические газовые взвеси и конден­сированные газовые взвеси.

Механические взвеси образуются в результате распределения тем или иным путем в газе измельченного твердого вещества, на­пример при дроблении твердых материалов или при распыливании жидкостей. Диспергированное в газе твердое или жидкое ве­щество называется пылью.

Конденсированные взвеси образуются в результате конденсации веществ из газообразной (парообразной) фазы в твердую или жидкую: в первом случае получаются .дымы, во втором — туманы. Такие же взвеси могут получиться в результате химических реак­ций между двумя газами, идущих с образованием твердой или жидкой фазы.

Происхождение газовых взвесей имеет весьма существенное значение при выборе метода или аппарата газоочистки, так как трудность разделения газовой неоднородной системы зависит, главным образом, от размера взвешенных частиц. Основное же различие между механическими и конденсированными. взвесями заключается в крупности твердых частиц или капелек жидкости. Твердые границы в этих случаях не могут быть установлены, и в каждом отдельном случае образования газовой взвеси размеры частиц лежат в довольно широких пределах. Можно принять, что в большинстве случаев механические взвеси состоят из частиц в пределах диаметров от 5 до 50 мкм., диаметры же конденсиро­ванных частиц лежат между 0,3 и 3 (а).

Загрязненность промышленных газов, поступающих на очистку, зависит от весьма многих причин, и в первую очередь от характера производственного процесса и конструкции газо­производящего аппарата.

методы разделения газовых взвесей

Применяемые в промышленности методы газоочистки могут быть сведены в четыре основные группы:

1) методы механической или сухой газоочистки, в которых эффект разделения обусловлен воздействием внешней механиче­ской силы на массу взвешенной в газе частицы;

2) методы мокрой газоочистки, заключающиеся в промывке грязного газа жидкостью, чаще всего водой, смачивающей я по­глощающей частицы;

3) фильтрация газа, состоящая в пропускании газа через пористые перегородки, задерживающие взвешенные в газе частицы;

4) электрическая очистка газа, обусловленная воздействием электрополя высокого напряжения на заряд частицы, сообщенный ей в этом же аппарате.

методы механической (сухой) газоочистки

Разделительный эффект аппаратов механической газоочистки основан на следующих двух положениях:

1) частица пыли или жидкости в газовом потоке является от­носительно свободной и может передвигаться в нем, если какая-либо внешняя сила будет к этому побуждать частицу;

2) масса взвешенной частицы значительно больше массы частиц самого газа, благодаря чему действие внешних механических сил сможет проявляться на частицах и заставлять их двигаться в на­правлении действия этих сил.

Смешение

Смешивание является наименее разработанным в научном отношении химико-технологическим процессом. Нет формул или уравнений, которые можно было бы применить для подсчета сте­пени или скорости смешения при заданных условиях. Это объ­яснятся сложностью процесса, зависящего от большого количе­ства факторов, вследствие чего его до сих пор не удалось подвергнуть математическому анализу.

Вследствие этого, из огром­ного разнообразия смешиваемых веществ количество конструкций мешалок весьма велико. Среди них встречаются хорошие и пло­хие, но мало стандартных. Каждая отрасль промышленности создала конструкции мешалок специально для своих потребностей. Такое разнообразие не только излишне, но и создает большие препятствия в деле систематизации знаний по данному вопросу.

Поэтому основной целью этого отдела является классифика­ция всех случаев смешивания в зависимости от смешиваемых ма­териалов и выбор одного или нескольких типов мешалок, которые могут быть применены в каждом из этих случаев.

Основные целя смешивания, чем бы мы ни имели дело: с жидкостями, твердыми веще­ствами или газами, или с их комбинацией, основная цель смешения остается той же самой. Она может быть сформулирована так, во всех случаях два или более вещества, находящиеся либо отдельно либо в неоднородно смешанном состоянии, должны быть при смешивании приведены в такое состояние, чтобы каждая частица данного вещества насколько возможно близко примыкала к каждой частице других компонентов.

На практике столь совершенный результат никогда не дости­гается, и можно даже утверждать, что в некоторых случаях та­кое теоретически совершенное смешивание нежелательно результатом смешивания может быть смесь, дисперсная система (суспен­зия или эмульсия), раствор или химическое соединение. В про­мышленности при определении требуемой степени перемешивания желаемое качество готового продукта почти во всех случаях является самым существенным фактором.

При смешивании всегда преследуют одну из нижеследующих целей.

Получение простой физической смеси. Смешивание до получения достаточно однородного продукта:

a) двух или более смешивающихся жидкостей, например ме­лассы и воды;

b) двух или более одинаково измельченных твердых веществ, например порошкообразных красок различных оттенков;

c) неоднородных смесей, в которых не происходит реакции или изменения размеров частиц; примером может служить смешивание бетона или приготовление песочного мыла.

Изменение физического состояния. Это может быть:

a) Растворение. Переход газа, жидкости или твердого тела в другую фазу путем растворения,

b) Кристаллиз а ц и я. Образование кристаллов из пересы­щенного раствора.

c) Адсорбция. Селективное поглощение присутствующих в меньших количествах составных частей смеси на основе по­верхностных явлений, например осветление сиропа с помощью древесного угля и т. п.

d) Флокуляция. Соединение частиц и хлопья в целях оса­ждения или фильтрации.

д/з рассмотреть вопросы:

- кристаллизация

- градирни

- сушка